地下水硝酸盐去除中反硝化微生物的研究进展

地下水硝酸盐污染已经成为一个全球问题,由于饮用高硝酸盐含量的地下水会增加高铁血红蛋白症和癌症风险,地下水硝酸盐污染受到越来越多的关注。反硝化脱氮是地下水硝酸盐脱氮的主要途径之一。本文就参与地下水硝酸盐去除的反硝化微生物种类、反硝化机理、碳源类型以及地下水污染中微生物作用的国内外研究现状进行了较全面系统的评述。在此基础上,提出了该类研究中存在的不足,包括实验室研究较多但野外研究较少,野外原位应用中对特定微生物特性方面研究缺乏,碳源利用率低和硝酸盐去除速度慢,去除过程中有效微生物的代谢途径仍不清楚等问题。针对这些问题,本文认为以后的研究应该进一步开发野外原位应用中反硝化微生物资源,并借助先进的分子方法和功能基因鉴定此类特殊微生物的种类、功能及其生态学行为,选择最佳碳源,完整深入地了解地下水硝酸盐去除中微生物的代谢过程,识别反硝化过程中氮的来源与去向,为寻找提高处理效率的方法提供理论依据,真正将理论和实践结合起来。     

抽穗后干旱复水对双季杂交晚稻产量形成和叶片δ13C及内源激素水平的影响

为探明生育后期干旱复水对双季杂交晚稻不同产量潜力品种产量的影响及其形成的生理机制,选择超级稻品种五丰优T025和对照品种金优207,于抽穗后进行干旱8d复水处理,分析了2个品种结实和产量、干旱前后倒二叶稳定碳同位素组成(δ13C)及内源激素含量的差异性。结果表明,干旱复水处理下2个品种水稻的结实率、千粒重及单株产量较对照(保持水层)表现出不同程度下降。其中,结实率五丰优T025和金优207分别下降12.07%和7.67%,千粒重下降5.23%和9.09%,单株产量下降13.54%和27.14%,差异均达显著或极显著水平,未发现产量补偿效应。抽穗后干旱处理下倒二叶δ13C值,五丰优T025大幅上升,复水后呈现出先下降,至第6天又开始上升的特点,金优207则大幅下降,复水后呈现先上升后下降再上升的特点,五丰优T025较金优207干旱复水处理与对照之间的差距更大。总体上,对照条件下,抽穗至其后20d,随生育推进,2个品种倒二叶内源ABA和GA₃含量呈上升而IAA含量则下降趋势,ZR表现出先上升再下降特点。干旱处理下2个品种表现为ABA含量上升,复水后呈先下降后上升特点,五丰优T025较金优207处理与对照之间差距更大;干旱复水处理条件下:2个品种IAA含量均下降,五丰优T025处理与对照间的差距明显小于金优207;五丰优T025 GA₃含量表现出先上升后下降再上升,金优207表现出干旱处理结束日急剧下降至最低点,复水后缓慢上升特点;2个品种ZR含量呈现出先上升至最高值再下降特点,五丰优T025较金优207处理与对照之间差距更小。抽穗后干旱处理将启动稻株体内抗衰老机制,复水后将在一定程度一定时间内激活稻株体内生长促进因子并抑制生长抑制因子,但其效果十分有限。     

不同生物质炭输入水平下旱作农田温室气体排放研究

在陇中黄土高原干旱半干旱区,采用小区定位试验,对不同生物质炭输入水平下春小麦农田土壤温室气体(CO_2、N_2O和CH_4)的排放通量进行全生育期连续观测,并分析其影响因子。结果表明:6个生物质炭输入水平处理下[0 t·hm~(-2)(CK)、10 t·hm~(-2)、20 t·hm~(-2)、30 t·hm~(-2)、40 t·hm~(-2)、50 t·hm~(-2)],旱作农田土壤在春小麦全生育期内均表现为CH_4弱源、N_2O源和CO_2源。全生育期各处理CH_4平均排放通量依次为:0.005 7 mg·m~(-2)·h~(-1)、0.0047 mg·m~(-2)·h~(-1)、0.003 6 mg·m~(-2)·h~(-1)、0.003 3 mg·m~(-2)·h~(-1)、0.002 7 mg·m~(-2)·h~(-1)和0.000 4 mg·m~(-2)·h~(-1),N_2O平均排放通量依次为:0.230 5 mg·m~(-2)·h~(-1)、0.144 1 mg·m~(-2)·h~(-1)、0.135 3 mg·m~(-2)·h~(-1)、0.098 9 mg·m~(-2)·h~(-1)、0.125 0 mg·m~(-2)·h~(-1)和0.151 3mg·m~(-2)·h~(-1),CO_2平均排放通量依次为:0.449 2μmol·m~(-2)·s~(-1)、0.447 0μmol·m~(-2)·s~(-1)、0.430 3μmol·m~(-2)·s~(-1)、0.391 4μmol·m~(-2)·s~(-1)、0.408 0μmol·m~(-2)·s~(-1)和0.416 4μmol·m~(-2)·s~(-1)。土壤CH_4排放通量随生物质炭输入量的增加而减小;当生物质炭输入量小于30 t·hm~(-2)时,土壤N_2O、CO_2排放通量随其输入量增加而显著减小,但当其输入量超过30 t·hm~(-2)时,N_2O、CO_2排放通量则呈显著增大趋势。各处理在5~15 cm土层平均土壤温度差异显著(P0.05),在5~10 cm土层平均土壤含水量差异显著(P0.05),土壤温度及含水量受生物质炭影响明显;且CK处理不同土层的土壤温度及含水量波动最大,生物质炭输入可在一定程度上降低不同土层土壤的水热变化幅度;N_2O、CO_2排放通量与10~15 cm土层土壤温度呈显著性负相关,与20~25 cm土壤温度呈显著性正相关;CH_4平均排放通量与5~10 cm土层土壤温度呈显著性负相关,与其含水量呈显著性正相关;N_2O平均排放通量与15~20 cm土层土壤温度呈显著性正相关;CH_4、N_2O、CO_2平均排放通量与0~5 cm土层土壤水分呈显著性负相关。生物质炭的输入能够减小温室气体的排放,且会因其输入量的不同而异,因此适量应用生物质炭有利于旱作农田生育期内增汇减排。     

稳定13C同位素示踪技术在农田土壤碳循环和团聚体 固碳研究中的应用进展

农田土壤有机碳库是全球碳循环的重要组成部分,其积累和分解直接影响陆地生态系统碳贮藏与全球碳平衡。土壤团聚体是土壤结构的物质基础和土壤肥力的重要载体,也是土壤有机碳的固定场所。稳定~(13)C同位素示踪技术是研究土壤碳动态变化的有效手段,能够揭示新输入碳在土壤及团聚体中赋存状态、周转过程以及微生物的调节机制。本文主要归纳与阐述了稳定~(13)C同位素示踪技术在农田土壤有机碳循环及土壤团聚体固碳机理方面的研究进展,提出~(13)C同位素示踪技术在未来土壤碳循环和固碳机制方面的主要研究方向。     

希拉穆仁草原退化评价及地表风蚀颗粒表征

经过对希拉穆仁草原围封、自由放牧草地及旅游区进行实地调查,结合内蒙古自治区第5次荒漠化和沙化监测实施细则,根据植被盖度和生物量等指标对草原进行了退化诊断与评价,并在此基础上研究了不同退化程度的地表粗粒组成。结果表明:希拉穆仁草原围封草地以轻度退化为主,自由放牧区以中度退化为主,但在坡顶出现重度退化,旅游区退化程度最为严重,均为重度退化区;可以以土壤颗粒0.84mm的百分比含量作为草原退化的判别标准,当其含量在82.22%~89.04%范围内为重度退化,含量在74.01%~79.53%为中度退化,含量在56.05%~66.11%为轻度退化。该指标能够直观、实时地反映草原的退化状况,且具有简便、快速诊断的生产应用性。     

Small-scale heterogeneity in carbon dioxide, nitrous oxide and methane production from aggregates of a cultivated sandy-loam soil

Spatial variability in carbon dioxide (CO₂), nitrous oxide (N₂O) and methane (CH₄) emissions from soil is related to the distribution of microsites where these gases are produced. Porous soil aggregates may possess aerobic and anaerobic microsites, depending on the water content of pores. The purpose of this study was to determine how production of CO₂, N₂O and CH₄ was affected by aggregate size and soil water content. An air-dry sandy loam soil was sieved to generate three aggregate fractions (<0.25 mm, 0.25–2 mm and 2–6 mm) and bulk soil (<2 mm). Aggregate fractions and bulk soil were moistened (60% water-filled pore space, WFPS) and pre-incubated to restore microbial activity, then gradually dried or moistened to 20%, 40%, 60% or 80% WFPS and incubated at 25 °C for 48 h. Soil respiration peaked at 40% WFPS, presumably because this was the optimum level for heterotrophic microorganisms, and at 80% WFPS, which corresponded to the peak N₂O production. More CO₂ was produced by microaggregates (<0.25 mm) than macroaggregate (>0.25 mm) fractions. Incubation of aggregate fractions and soil at 80% WFPS with acetylene (10 Pa and 10 kPa) and without acetylene showed that denitrification was responsible for 95% of N₂O production from microaggregates, while nitrification accounted for 97–99% of the N₂O produced by macroaggregates and bulk soil. This suggests that oxygen (O₂) diffusion into and around microaggregates was constrained, whereas macroaggregates remained aerobic at 80% WFPS. Methane consumption and production were measured in aggregates, reaching 1.1–6.4 ng CH₄–C kg⁻¹ soil h⁻¹ as aggregate fractions and soil became wetter. For the sandy-loam soil studied, we conclude that nitrification in aerobic microsites contributed importantly to total N₂O production, even when the soil water content permitted denitrification and CH₄ production in anaerobic microsites. The relevance of these findings to microbial processes controlling N₂O production at the field scale remains to be confirmed.     

华北平原农田生态系统碳过程与环境效应研究

本文总结了25年来针对华北平原小麦-玉米两熟系统,农田的碳循环对气候变化(温度升高)和管理措施(氮肥施入、秸秆还田和耕作方式等)响应机制的研究成果。自2001年起我们在中国科学院栾城农业生态系统试验站建立了3个长期定位碳循环试验:耕作试验、有机循环试验和增温试验,并完善了4种农田碳过程监测方法体系:隔离罐-碱液吸收CO_2法、静态箱-气相色谱法、涡度相关技术和浓度梯度法。量化了华北平原小麦-玉米两熟系统碳输入-输出的平衡,并对华北平原施氮农田土壤碳截留进行了再评价,指出秸秆还田下高水高肥的精细管理农田正在以77 g(C)·m~(-2)·a~(-1)的速度丢失碳;此外长期氮施入虽然显著增加0~100 cm土体的土壤有机碳含量,但同时会造成0~60 cm土体土壤无机碳含量显著降低。我们在对碳过程环境效应的研究中进一步指出:增温和施氮均会降低CH4汇强度,但对土壤呼吸无显著影响,这可能主要是由于试验增温诱发的土壤干旱抵消了土壤温度的部分影响和土壤呼吸对土壤温度升高的适应性造成的。我们对剖面土壤气体的研究表明施氮对剖面CH4和CO_2均无显著影响。进一步将静态箱法和浓度梯度法相结合的研究结果表明0~40cm土层是北方旱地无氮农田土壤CO_2产生和CH4吸收的主要发生层。     

未来30年川东平行岭谷区县域农田SOC动态模拟

以位于川东平行岭谷的典型县——垫江县为研究对象,探讨在特定气候模式下未来30 a研究区农田土壤有机碳(SOC)及其动态变化,为研究区未来耕地可持续利用与管理提供数据支持和科学依据。利用生物地球化学模型DNDC,选取IPCC AR4报告中的BCCR_BCM 2.0的B1模式,在基于研究区土壤性质和农业管理制度等建立的GIS区域数据库的支持下,模拟研究区2011—2041年SOC动态变化。结果表明:1)DNDC模型能够较好地模拟特定气候条件下SOC及其动态变化,模拟值和观测值的相关系数r为0.981,达到0.01水平下的极显著相关关系;模拟值和观测值的RMSE值为16%,模拟结果较好。2)未来30 a研究区农田0~20 cm土层SOC密度和储量均呈显著增加态势,单位面积碳增量2 637.07~8 091.55 kg(C)·hm~(-2),增幅为10%~34%,新增固碳量2.7×10~5~8.3×10~5 t,年均增速87.9~269.7 kg(C)·hm~(-2)·a~(-1)。3)未来30 a川东平行区县域农田土壤总体呈持续碳增汇状态,研究区固碳、丢碳以及相对平衡三者间的差异将逐渐凸显。     

不同施肥条件对鱼腥草碳氮代谢生理指标的影响

【研究目的】结合前期对产量、品质的研究，探讨不同施肥条件下鱼腥草叶片主要碳氮代谢指标的变化及其与产量形成的关系。【方法】采用单因子随机区组设计进行施肥实验，测定鱼腥草叶片光合速率、硝酸还原酶活性、叶绿素和粗蛋白的含量。【结果】各施肥处理中以较低施肥水平人粪尿处理的鱼腥草叶片含叶绿素总量最高，达2.552 mg/gFW，以中等施肥水平鸭粪的净光合速率最高，为8.306μmol/(m2·s)。施用不同肥料的鱼腥草叶片硝酸还原酶活性大小为：鸭粪>猪粪>常规施肥>化肥>人粪尿，各处理以中等施肥水平的猪粪处理的硝酸还原酶最高，达46.2μg NO2-/(h·g)FW；粗蛋白以施用较高水平化肥的最高（13.31%）。【结论】施用有机肥能显著提高鱼腥草叶片的碳代谢，这有利于其产量的形成；但施用人粪尿不利于提高鱼腥草叶片硝酸还原酶活性和蛋白质的形成与积累。     

六种稻田土壤冬季种植黑麦草功能效应研究

选取我国亚热带地区6种主要成土母质发育的水稻土,通过定位试验研究了黑麦草产量、碳氮环境效应和土壤微生物量变化。结果表明,6种稻田土壤冬季均适合生长黑麦草,黑麦草地上部和根系干物质产量,在河沙泥田表现最好,分别为11 324.8 kg hm^-2和8 227.3 kg hm^-2。6种稻田土壤黑麦草地上部和根系碳蓄积量均存在显著差异(P＜0.05),地上部分碳蓄积量在河沙泥田最高,为4 495.3 kg hm^-2;根系碳蓄积量在河沙泥田和麻沙泥田表现最好,分别为2 799.6 kg hm^-2和2 711.8 kg hm^-2;黄泥田最低,为1 852.9 kg hm^-2。而黑麦草氮蓄积量,在河沙泥田最高,地上氮蓄积量为238.1 kg hm^-2,地下氮蓄积量为60.1 kg hm^-2。6种稻田土壤微生物量碳和土壤微生物量氮,在种草区和冬闲田间差异均达到了显著水平(P＜0.05),除灰泥田外种草区均大于冬闲田,冬季种植黑麦草增加了土壤微生物商。